친환경 열풍과 함께 최근 전 세계적으로 전기차 시장이 커지고 있다. 가솔린이나 디젤을 사용한 내연기관 자동차와 달리 전기차는 이차전지의 동력만으로 차를 움직인다. 문제는 내연기관차에 비해 연료 충전시간이 느리고 에너지 출력이 낮다는 것이다. 이 때문에 충전시간을 단축하려는 다양한 연구가 진행되고 있지만 완전 충전을 시키기 위해서는 아무리 출력이 높더라도 1시간 이상 걸리게 된다. 부족한 충전시설 때문에 완충 시키는 운전자들이 많지는 않지만 50% 충전까지도 30분 가량 걸린다. 국내 연구진이 전기차 배터리를 90% 충전시키는데 6분 밖에 걸리지 않는 기술을 내놨다.

포스텍 신소재공학과, 성균관대 에너지과학과 공동연구팀은 더 빨리 충전되고 오래가는 전기차 배터리 소재를 개발했다고 19일 밝혔다. 이번 연구결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘에너지와 환경과학’(Energy & Environmental Science)에 실렸다.

지금까지 많은 연구에서 2차전지 충방전 시간을 줄이기 위해 전극 물질의 입자 크기를 줄이는 방법이 활용됐다. 문제는 입자 크기가 작아지면 부피당 에너지 밀도가 줄어들어 출력이 낮아진다는 단점이 있다.

이에 연구팀은 전극물질 입자 크기를 줄이지 않고도 충전과 방전 중 상변이 과정에 중간상(相)을 형성시키면 에너지 밀도의 손실 없이도 빠른 충방전과 고출력이 가능하다는 사실을 밝혀냈다. 보통 충전과 방전시에는 물질의 상태가 변화되는 과정에서 서로 다른 부피를 가진 상이 하나의 입자 내에 존재하게 되면서 구조적 결함이 많이 생기게 된다. 연구팀은 새로운 합성법을 통해 입자 안에 있는 두 상의 부피변화를 줄이는 완충역할의 중간상을 유도하는데 성공한 것이다.

완충작용을 하는 중간상 형성으로 인해 균일한 전기화학 반응을 일으켜 충방전 속도를 획기적으로 증가시킬 수 있다는 것이 연구팀의 설명이다. 실제로 연구팀이 합성한 2차전지 전극은 6분 만에 90%까지 충전되는 것이 확인됐다.

강병우 포스텍 신소재공학과 교수는 “이번 연구성과는 기존의 입자 크기를 줄이는 접근방식에서 벗어나 빠른 충방전이 가능하고 높은 에너지 밀도를 유지하면서 성능 유지시간도 길게 하는데 성공했다”라고 말했다.

유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr